CN214750571U - 电容测试电路及系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及触摸屏检测技术领域，公开了一种电容测试电路及系统，包括信号发生模块，用于产生测试电压；放大模块，包括并联设置的放大单元与标准电容单元；控制模块，电连接信号发生模块与放大模块，用于根据测试电压、放大模块的输出电压以及标准电容单元的电容值计算待测电子器件中待测电容的电容值。通过向待测电子器件上的待测电容给定测试电压，使用放大单元对待测电容上的电压进行放大，并对标准电容单元上的电压进行采集，根据采集到的输出电压、输入的测试电压以及标准电容单元的电容值计算获取待测电容的电容值。所述电容测试电路的电路设计简单，可操作性强、成本低、便于量产使用，可以对待测电子器件内电容进行快速精确检测。

Description

电容测试电路及系统

技术领域

本实用新型涉及触摸屏检测技术领域，特别是涉及一种电容测试电路及系统。

背景技术

随着智能终端的普及应用，用户对设备的灵活性、可操作性要求越来越高，一个高可靠识别灵敏度的触摸面板越来越被使用者推崇。触摸屏由电阻屏升级到电容屏已是一次革命性突破，然而电容屏也经历了自容屏到互容屏的发展。高速和高精度的检测设备越来越被触摸屏制造商看中，当前的实际生产中，电容屏触摸电容检测的精度和速度一直是阻碍其生产效率的第一因素。

实用新型内容

基于此，有必要针对电容屏触摸电容检测的精度和速度影响实际生产效率的问题，提供一种电容测试电路及系统。

一种电容测试电路，包括信号发生模块，用于向待测电子器件提供测试电压；放大模块，包括并联设置的放大单元与标准电容单元；控制模块，电连接所述信号发生模块与所述放大模块，用于根据所述测试电压、所述放大模块的输出电压以及所述标准电容单元的电容值计算所述待测电子器件中待测电容的电容值。

上述电容测试电路，使用信号发生模块产生测试电压，控制模块控制将测试电压传输至待测电子器件。放大模块用于对待测电子器件内待测电容上的电压进行放大，并将放大后的电压传输至控制模块。控制模块还可以根据测试电压、输出电压和标准电容单元的电容值计算待测电子器件的电容值。在上述电容测试电路中，信号发生模块向待测电子器件的待测电容给定测试电压，放大模块将已知的标准电容单元上的电压放大，控制模块对标准电容单元上的电压进行采集，并根据采集到的电压与测试电压以及标准电容单元的电容值计算获取待测电容的电容值。所述电容测试电路的电路设计简单，可操作性强、成本低、便于量产使用，可以对待测电子器件内电容进行快速精确检测。

在其中一个实施例中，所述电容测试电路还包括开关模块，包括第一开关单元与第二开关单元，所述第一开关单元位于所述信号发生模块与待测电子器件之间，所述第二开关单元位于所述待测电子器件与所述放大模块之间；所述控制模块还用于控制所述第一开关单元以及所述第二开关单元的通断；数据处理模块，所述数据处理模块位于所述放大模块和所述控制模块之间，用于对所述放大模块的输出电压进行数据处。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块包括模数转换器，与所述放大模块相连接，用于对所述放大模块的输出电压进行模数转换；现场可编程门阵列，分别与所述模数转换器和所述控制模块相连接，用于对模数转换后的所述输出电压进行采集，并传输至所述控制模块。

在其中一个实施例中，所述放大模块还包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻；所述标准电容单元的第一端与所述放大单元的输入端相连接，所述标准电容单元的第二端与所述放大单元的输出端相连接；所述放大单元的输入端与所述待测电子器件的输出端相连接；所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻串联后与所述标准电容单元并联；所述第三反馈电阻的第一端与所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的连接点相连接，所述第三反馈电阻的第二端接地。

在其中一个实施例中，所述控制模块用于将所述测试电压、所述放大模块的输出电压以及所述标准电容单元的电容值代入电容计算式中，计算获取所述待测电容的电容值，所述电容计算式为：

其中，C₁为所述待测电容的电容值，U_out为所述输出电压，U_in为所述测试电压，C_f为所述标准电容单元的的电容值。

在其中一个实施例中，所述待测电子器件包括互容触摸屏。

在其中一个实施例中，所述互容触摸屏的等效单节点模型包括第一寄生电感、第二寄生电感、第一引线电阻、第二引线电阻、待测电容、第一寄生电容和第二寄生电容；所述第一寄生电感、所述第一引线电阻、所述待测电容、所述第二引线电阻、所述第二寄生电感依次串联，所述待测电容的第一端对地产生有第一寄生电容，所述待测电容的第二端对地产生有第二寄生电容。

在其中一个实施例中，所述电容测试电路还包括滤波模块，分别与所述现场可编程门阵列和所述控制模块相连接，用于对所述输出电压进行滤波。

在其中一个实施例中，所述信号发生模块包括方波发生器。

一种电容测试系统，包括待测电子器件以及根据上述任一项实施例所述的电容测试电路。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型其中一实施例的电容测试电路的结构框图；

图2为本实用新型另一实施例的电容测试电路的结构框图；

图3为本实用新型其中一实施例的放大模块的电路拓扑图；

图4为本实用新型其中一实施例的第一开关单元与第二开关单元的等效模型示意图；

图5为本实用新型其中一实施例的互容触摸屏的等效单节点模型示意图；

图6为本实用新型其中一实施例的电容测试电路的部分电路拓扑图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的优选实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反的，提供这些实施方式的目的是为了对本实用新型的公开内容理解得更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“上”、“下”、“前”、“后”、“周向”以及类似的表述是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1为本实用新型其中一实施例的电容测试电路的结构框图，在其中一个实施例中，所述电容测试电路包括信号发生模块100、放大模块200和控制模块300。信号发生模块100，用于向待测电子器件10提供测试电压。放大模块200，包括并联设置的放大单元与标准电容单元。控制模块300分别与信号发生模块100和放大模块200电连接。控制模块300用于获取信号发生模块100产生的测试电压，并控制将测试电压加载到待测电子器件10上。放大模块200对待测电子器件10内待测电容上的输出电压进行放大处理，并传输至控制模块300。同时，控制模块300根据测试电压、放大模块200的输出电压和放大模块200中标准电容单元的电容值，计算获取待测电子器件10中待测电容的电容值。

本实用新型提供的所述电容测试电路通过向待测电子器件10上的待测电容给定测试电压，使用放大模块200对待测电容上的电压进行放大，并对标准电容单元上的电压进行采集，根据采集到的输出电压、输入的测试电压以及标准电容单元的电容值计算获取待测电容的电容值。所述电容测试电路的电路设计简单，可操作性强、成本低、便于量产使用，可以对待测电子器件10内待测电容进行快速精确检测。

在其中一个实施例中，图2为本实用新型另一实施例的电容测试电路的结构框图，所述电容测试电路还包括开关模块。所述开关模块包括第一开关单元410和第二开关单元420。所述第一开关单元410位于信号发生模块100与待测电子器件10之间，第二开关单元420位于待测电子器件10与放大模块200之间。当所述待测电子器件10中包括多个待测电容时，则所述第一开关单元410和所述第二开关单元420中也对应包括多个开关器件，所述第一开关单元410和所述第二开关单元420中的多个开关器件分别与待测电子器件10中多个待测电容相连接。

当需要对待测电子器件10中的第一个待测电容的电容值进行检测时，控制模块300控制第一开关单元410中与第一个待测电容相连的开关器件导通，并控制第一开关单元410中的其他开关器件断开，将信号发生模块100产生的测试电压加载到第一个待测电容上。同时，控制模块300控制第二开关单元420中与第一个待测电容相连的开关器件导通，并控制第二开关单元420中的其他开关器件断开，导通待测电子器件10与放大模块200间的通路，在放大模块200中的放大单元工作在线性放大区时，采用电容负反馈的方法把待测电子器件10中的第一个待测电容的电容值转换成放大模块200的输出电压。控制模块300可以根据测试电压、输出电压和放大模块200中标准电容单元的电容值测算出第一个待测电容的电容值。

完成对待测电子器件10中第一个待测电容的测试后，控制模块300控制断开第一开关单元410中与第一个待测电容相连的开关器件，同时控制导通第一开关单元410中与第二个待测电容相连的开关器件，令信号发生模块100产生的测试电压加载到第二个待测电容上。控制模块300控制断开第二开关单元420中与第一个待测电容相连的开关器件，并控制第二开关单元420中与第二个待测电容相连的开关器件导通，导通待测电子器件10与放大模块200间的通路，同样地，采用电容负反馈的方法对第一个待测电容的电容值进行计算。

重复上述步骤，直至完成对待测电子器件10中所有待测电容的测试。本实用新型通过使用具有多通道的第一开关单元410以及第二开关单元420，可以对待测电子器件10中的多个待测电容分别进行测试，提高了对待测电子器件10多点测试的效率。

在其中一个实施例中，所述电容测试电路还包括数据处理模块500。所述数据处理模块500用于对放大模块200的输出电压进行数据处理。使用数据处理模块500对输出电压进行数据处理，可以降低外界干扰对测试造成的影响，防止因外界干扰而对测量结果造成误差。

在其中一个实施例中，所述数据处理模块包括模数转换器510和现场可编程门阵列520。所述模数转换器510与所述放大模块200相连接，用于对所述放大模块200的输出电压进行模数转换。所述现场可编程门阵列分别与所述模数转换器510和所述控制模块300相连接，用于对模数转换后的所述输出电压进行采集，并将所有采集到的输出电压传输至所述控制模块。在本实施例中，所述模数转换器510为高速模数转换芯片，所述现场可编程门阵列520为FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片。

模数转换器即A/D转换器，或简称ADC，用于将模拟信号转变为数字信号。由于数字信号本身不具有实际意义，仅仅表示一个相对大小，因此，任何一个模数转换器都需要一个参考模拟量作为转换的标准。比较常见的参考标准为最大的可转换信号大小，而输出的数字量则表示输入信号相对于参考信号的大小。模数转换器510可以将放大模块200输出的输出电压转换为数字信号，便于控制模块300在后续过程中进行计算。

现场可编程门阵列520可以实现对高速模数转换器510输出电压的高速数据接收以及信号处理，实现多通道高速采集以及实时处理，采集速率高、处理能力强，可以灵活实现信号处理算法。

图3为本实用新型其中一实施例的放大模块的电路拓扑图，在其中一个实施例中，所述放大模块200还包括第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4和第三反馈电阻R5。在本实施例中，所述放大单元为运算放大器OPA，所述标准电容单元为图3中所示的反馈电容Cf。反馈电容Cf的第一端与运算放大器OPA的输入端相连接，反馈电容Cf的第二端与运算放大器OPA的输出端相连接。运算放大器OPA的输入端与待测电子器件10的输出端相连接。第一反馈电阻R3与第二反馈电阻R4串联后与反馈电容Cf并联。第三反馈电阻R5的第一端与第一反馈电阻R3和第二反馈电阻R4的连接点相连接，第三反馈电阻R5的第二端接地。

不同频率的信号经过电容都会产生不同程度的相移和衰减，电路中的反馈电容Cf可以用于滤波并减小高频增益。运算放大器的输出端的高频信号有一部分会通过反馈电容Cf返回到运算放大器的输入端。但是，返回的高频信号与输入端的信号是不同相的，因此，就会有一部分高频信号被抵消掉，反映在运算放大器的输出端的现象就是低频增益变大。

上述第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4和第三反馈电阻R5在电路中则是用于限制运算放大器的放大倍数。由于现在所用的运算放大器的有效增益都很大。若不对增益进行限制，运算放大器内部的某些晶体管因为工艺原因而达到饱和，饱和导通的晶体管不再对输入的信号有反应，则运算放大器就很容易就进入锁死状态。利用负反馈电阻对运算放大器输出端的任意电压都以一定的返回系数送回输入端与输入信号进行相减处理。这样，小信号输入的时候，反馈回来的信号也是小信号，则对输入信号的影响也较小。此时，信号就会以教大的放大倍数输出。而当输入信号较大时，返回的信号也会较大，那么信号就会以较小的放大倍数输出。这样，运算放大器就不会进入锁死状态。负反馈电阻和负反馈电容都是用于稳定工作点，防止运算放大器进入截止或是饱和导通的非法工作状态。

同时，本实用新型在运算放大器工作于线性放大区时，采用电容负反馈的方法，将待测电子器件10中待测电容的电容值转换成放大模块200的输出电压，并将输出电压传输至送数据处理模块500。数据处理模块500对输出电压进行模数转换后，通过现场可编程门阵列520高速采集并传输至控制模块300。控制模块300根据测试电压、输出电压以及放大模块200中标准电容单元的电容值测算出待测电容的电容值。另外，在本实施例中第一反馈电阻R3、第二反馈电阻R4和第三反馈电阻R5的电阻值以及反馈电容Cf的电容值可以根据待测电容的电容值的数量级进行调整。在对待测电子器件10进行测试时，当各待测电容的电容值间的数量级相差较大时，可以选择合适数量级的电阻值以及电容值对待测电容进行测试，以提高对待测电容的测试精确度。

图4为本实用新型其中一实施例的第一开关单元与第二开关单元的等效模型示意图，在其中一个实施例中，所述第一开关单元410与第二开关单元420均使用如图4所示的等效模型。第一开关单元410与第二开关单元420中包括开关器件、寄生电容Cd、寄生电容Cs、寄生电容Cds和等效电阻Ron。其中，Cd为内部MOSFET漏极对地的寄生电容，在实际应用中，Cd的电容值一般为5～100pF。Cs为源极对地的寄生电容，Cs的电容值一般为5～100pF。Cds为漏源极寄生电容。Ron为开关器件导通时漏源极的等效电阻，一般Ron的阻值为10Ω级别。当开关器件打开时，由于漏源极寄生电容Cds的阻抗Zcds>>Ron，因此，第一开关单元410与第二开关单元420中漏源极寄生电容Cds对测量结果的影响可以忽略不计。

在其中一个实施例中，所述待测电子器件10为互容触摸屏。

图5为本实用新型其中一实施例的互容触摸屏的等效单节点模型示意图，在其中一个实施例中，所述互容触摸屏可以等效为图5所示的单节点模型。互容触摸屏的单节点模型中包括第一寄生电感L1、第二寄生电感L2、第一引线电阻R1、第二引线电阻R2、待测电容C1、第一寄生电容C2和第二寄生电容C3。第一寄生电感L1、第一引线电阻R1、待测电容C1、第二引线电阻R2和第二寄生电感L2依次串联，待测电容C1的两端分别对地产生了对第一地寄生电容C2和第二对地寄生电容C3。

在实际应用中，互容触摸屏的第一寄生电感L1、第二寄生电感L2的电感值一般为1～20nH，第一引线电阻R1、第二引线电阻R2的电阻值一般为1KΩ～10KΩ，待测电容C1的电容值一般为1pF～20pF，第一寄生电容C2、第二寄生电容C3的电容值一般为1pF～20pF。

在其中一个实施例中，所述信号发生模块包括方波发生器。所示电容测试电路在对待测电子器件10进行检测时，利用信号发生模块100产生测试电压。在本实施例中，所示信号发生模块为方波发生器，在实际应用中一般用于产生峰值为2V、频率为100kHz的方波信号。

图6为本实用新型其中一实施例的电容测试电路的部分电路拓扑图，在其中一个实施例中，图6表征了从信号发生模块100加载信号到模数转换器ADC前级的电路框图。信号发生模块100、第一开关单元410、待测电子器件10、第二开关模块320与放大模块200依次串联。

所示电容测试电路在对待测电子器件10进行检测时，利用信号发生模块100产生测试电压，所述测试电压为一个峰值为2V、频率为100kHz的方波信号。控制模块300控制第一开关单元410导通，将测试电压加载到待测电子器件10端，待测电子器件10的输出电压经过放大模块200对其进行放大。

在本实施例中，令第一开关单元410和第二开关单元420中的导通电阻Ron的值均约为10Ω，第一开关单元410和第二开关单元420中的寄生电容Cd、Cs的值均约为30Pf。即，第一开关单元410和第二开关单元420中寄生电容Cd/Cs的等效阻抗Zcd/Zcs＝1/ωC＝1/2π*100*10³*30*10^-12≈53*10³Ω远大于导通电阻Ron。因此，第一开关单元410和第二开关单元420及待测电子器件10的对地寄生电容对输入电压的分压功能都可以忽略不计。将信号发生模块100输出端TP1处的电压记为Uin，即Uin为测试电压的电压值。将放大模块200输出端TP2处的电压记为Uout，即Uout为放大模块200输出电压的电压值。

由于

因此可以推得：

其中，C₁为所述待测电容的电容值，U_out为所述输出电压，U_in为所述测试电压，C_f为所述标准电容单元的电容值。在本实施例中，标准电容单元为反馈电容Cf，因此，标准电容单元的电容值即为反馈电容Cf的电容值

模数转换器510对放大模块200的输出电压进行模数转换，现场可编程门阵列520对模数转换后的所述输出电压进行高速采样并传输至控制模块300。由于工频干扰的存在，控制模块300还需要对现场可编程门阵列520采集到的数据进行数字滤波，并采用差分的形式得到TP2处的电压值。控制模块300将测试电压Uin、输出电压Uout以及标准电容单元的电容值带入以上公式，即可计算出待测电容C1的电容值。

上述电容测试电路在对触摸屏内的待测电容进行检测时，屏蔽了触摸屏内部对地寄生电容对测量结果的影响，也屏蔽了外界模拟开关单元中寄生电容对测量结果的影响，可以提高对触摸屏的测试精度；同时，通过控制模块300对采样电压进行数字滤波，进一步降低了外界干扰对测量结果造成的影响，提高对触摸屏电容值测试的测试精度。

在其中一个实施例中，所述电容测试电路还包括滤波模块600。所述滤波模块600包括运算放大器输出端的寄生电容和滤波电阻R6。滤波电阻R6的一端与运算放大器的输出端相连接，另一端接地。运算放大器输出端的寄生电容与滤波电阻R6构成RC滤波电路，可以在放大模块200的输出电压在传输至模数转换器510前，先对放大模块200的输出电压进行一次滤波处理，进一步降低外界干扰对测试造成的影响，减小测试结果的误差。

本实用新型还提供了一种电容测试系统，包括待测电子器件10以及上述任一项实施例中所述的电容测试电路。本实用新型提供的所述电容测试系统屏蔽了触摸屏内部对地寄生电容对测量结果的影响，同时也屏蔽了外界模拟开关单元中寄生电容对测量结果的影响，提高了对触摸屏的测试精度。通过使用具有多通道的第一开关单元410和第二开关单元420分别与待测电子器件10中的多个待测电容相连接，提高了对触摸屏多点测试的测试效率。利用滤波模块600对输出电压进行模拟滤波，再利用控制模块300对输出电压进行数字滤波，通过两次滤波处理，降低了外界干扰对测量的影响，减小测试结果的误差。本实用新型提供的电容测试系统的电路设计简单、可操作性强且成本低，便于量产使用。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种电容测试电路，其特征在于，包括：

信号发生模块，用于向待测电子器件提供测试电压；

放大模块，包括并联设置的放大单元与标准电容单元；

控制模块，电连接所述信号发生模块与所述放大模块，用于根据所述测试电压、所述放大模块的输出电压以及所述标准电容单元的电容值计算所述待测电子器件中待测电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的电容测试电路，其特征在于，所述电容测试电路还包括：

开关模块，包括第一开关单元与第二开关单元，所述第一开关单元位于所述信号发生模块与待测电子器件之间，所述第二开关单元位于所述待测电子器件与所述放大模块之间；所述控制模块还用于控制所述第一开关单元以及所述第二开关单元的通断；

数据处理模块，所述数据处理模块位于所述放大模块和所述控制模块之间，用于对所述放大模块的输出电压进行数据处理。

3.根据权利要求2所述的电容测试电路，其特征在于，所述数据处理模块包括：

模数转换器，与所述放大模块相连接，用于对所述放大模块的输出电压进行模数转换；

现场可编程门阵列，分别与所述模数转换器和所述控制模块相连接，用于对模数转换后的所述输出电压进行采集，并传输至所述控制模块。

4.根据权利要求1或2所述的电容测试电路，其特征在于，所述放大模块还包括第一反馈电阻、第二反馈电阻和第三反馈电阻；

所述标准电容单元的第一端与所述放大单元的输入端相连接，所述标准电容单元的第二端与所述放大单元的输出端相连接；所述放大单元的输入端与所述待测电子器件的输出端相连接；所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻串联后与所述标准电容单元并联；所述第三反馈电阻的第一端与所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的连接点相连接，所述第三反馈电阻的第二端接地。

5.根据权利要求4所述的电容测试电路，其特征在于，所述控制模块用于将所述测试电压、所述放大模块的输出电压以及所述标准电容单元的电容值代入电容计算式中，计算获取所述待测电容的电容值，所述电容计算式为：

其中，C₁为所述待测电容的电容值，U_out为所述输出电压，U_in为所述测试电压，C_f为所述标准电容单元的电容值。

6.根据权利要求1所述的电容测试电路，其特征在于，所述待测电子器件包括互容触摸屏。

7.根据权利要求6所述的电容测试电路，其特征在于，所述互容触摸屏的等效单节点模型包括第一寄生电感、第二寄生电感、第一引线电阻、第二引线电阻、待测电容、第一寄生电容和第二寄生电容；

所述第一寄生电感、所述第一引线电阻、所述待测电容、所述第二引线电阻、所述第二寄生电感依次串联，所述待测电容的第一端对地产生有第一寄生电容，所述待测电容的第二端对地产生有第二寄生电容。

8.根据权利要求3所述的电容测试电路，其特征在于，所述电容测试电路还包括：

滤波模块，分别与所述现场可编程门阵列和所述控制模块相连接，用于对所述输出电压进行滤波。

9.根据权利要求1所述的电容测试电路，其特征在于，所述信号发生模块包括方波发生器。

10.一种电容测试系统，其特征在于，包括待测电子器件以及根据权利要求1-9中任一项所述的电容测试电路。

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